Les piles

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Classe(s) : 1re STI2D | Thème(s) : L'oxydation et la corrosion

Le nom de pile a été donné initialement à un empilement de rondelles de 2 métaux différents en contact grâce à une solution ionique conduisant le courant (électrolyte). Une pile est désormais un générateur électrochimique monobloc constitué d’un seul élément, non rechargeable.

Une pile est un convertisseur d’énergie dont la chaîne énergétique est :

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A Le transfert direct d’électrons

Si on plonge une lame métallique de zinc dans un bécher contenant une solution d’ions cuivre Cu2+(aq), la lame se couvre progressivement de cuivre métallique et la solution se décolore. 2 couples oxydant/réducteur interviennent :

Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq)/Zn(s)

Une réaction d’oxydo-réduction se produit entre le zinc et les ions cuivre selon :

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s).

Un transfert d’électrons se produit directement entre le zinc et les ions cuivre.

B La constitution d’une pile de laboratoire

Il est possible de réaliser un transfert d’électrons, de manière indirecte, en réalisant une pile. La pile permettant de reproduire la réaction précédente est composée de :

2 compartiments, appelés demi-piles contenant une solution ionique d’un ion métallique dans laquelle trempe une électrode métallique du même métal ;

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un pont salin permettant la circulation des ions entre les 2 demi-piles. Ce pont salin est constitué d’une solution ionique gélifiée placée dans un tube en U ou d’un simple papier imbibé d’une solution ionique. Les ions présents dans le pont salin assurent la continuité électrique entre les 2 solutions : des électrons ne pourraient pas passer directement.

Cette pile met en jeu les 2 couples Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq)/Zn(s).

C La polarité d’une pile : mise en évidence des réactifs

Si l’on connecte l’électrode de cuivre à la borne volt du voltmètre et l’électrode de zinc à la borne « com » du voltmètre, on mesure une tension positive.

L’oxydation se fait sur l’électrode d’où sont issus les électrons, donc la borne négative. La réduction se produit sur l’autre électrode, qui reçoit les électrons, donc la borne positive.

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Cette pile comporte 2 demi-piles contenant les couples Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq)/Zn(s).

L’oxydation a lieu sur l’électrode négative, il y a oxydation du réducteur du couple, donc oxydation du zinc selon l’équation :

Zn = Zn2+ + 2 e

La réduction a lieu sur l’électrode positive de cuivre, il y a donc réduction des ions Cu2+, ce qui conduit à un dépôt de cuivre métallique sur cette électrode selon l’équation :

Cu2+(aq) + 2 e = Cu(s)

La réaction globale se produisant dans la pile est donc :

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)

C’est la même réaction que celle qui s’effectue spontanément entre une lame métallique de zinc et des ions cuivre en solution. La pile permet d’utiliser une partie de l’énergie chimique transformée en énergie électrique.

La transformation chimique correspond à la réaction entre l’oxydant d’un couple et le réducteur d’un autre couple. La réaction ne se fait pas directement entre les 2 espèces (c’est pour cela que le transfert est indirect) sinon on ne pourrait pas extraire d’énergie électrique de cette réaction.

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